Belangrijkste factoren die cokesverbruik in hoogoven beïnvloeden

De hoogoven (BF) is een tegenstroomreactor waarin het reducerende gas geproduceerd wordt door de vergassing van de koolstof van de BF cokes met de zuurstof van de hete blas geïnjecteerd via tuyères in het lagere deel van de oven. Het reducerende gas stroomt omhoog en reduceert de ijzerhoudende ladingmaterialen die boven in de oven worden geladen.

Cokessnelheid is de parameter voor het verbruik van BF cokes gemeten in kilogrammen BF cokes verbruikt per ton gietijzer geproduceerd.

Rol van cokes in de hoogoven

BF cokes is een sleutelmateriaal voor BF ijzerproductie, fungerend als een belangrijke energiebron (brandstof), een reductiemiddel, een verkoolingsmiddel en een doorlatend structureel support. Er is geen ander bevredigend materiaal beschikbaar dat BF cokes als doorlatende support van de hoogovenlading volledig of gedeeltelijk kan vervangen.

BF cokes is het belangrijkste grondstofmateriaal dat in de hoogoven wordt gevoerd in termen van zijn effect op de hoogovenoperatie en gietijzerkwaliteit. Een hoge kwaliteit BF cokes kan een soepel dalen van de hoogovenlading ondersteunen met zo min mogelijk degradatie terwijl het de laagste hoeveelheid onzuiverheden, hoogste thermische energie, hoogste metalen reductie, en optimale doorlatendheid voor de stroom van gasvormige en vloeibare producten biedt. Invoering van hoge kwaliteit BF cokes in een hoogoven resulteert in lagere cokessnelheid, hogere productiviteit en lagere gietijzerkosten. De rol van cokes in het verbeteren van de BF prestaties is getoond in Figuur 1.

Een realistische beoordeling van de waarschijnlijke prestaties van cokes in de hoogoven opererend met of zonder injectietechnologie omvat die eigenschappen van cokes die de weerstand ervan weerspiegelen tegen degradatie onder de chemische en thermische omgeving van de hoogoven. Dergelijke eigenschappen, die richtlijnen bieden voor cokesgebruik, betreffen korrelgrootte, vorm en grootteuniformiteit, chemische samenstelling, mechanische sterkte, en thermische en chemische stabiliteiten. Dus cokes voor de hoogoven moet een succesvolle compromis zijn tussen structuur en eigenschappen. Om goede hoogovenprestaties te garanderen, moet cokes matig groot zijn, met een smal groottebereik, en een hoge mechanische sterkte hebben om de verzwakkende reacties met koolstofdioxide en alkali, abrasie, en thermische schok in de hoogoven te weerstaan. Vanwege de vele onbekende factoren is het niet haalbaar om universele kwaliteitsindices vast te stellen die gemeenschappelijk zijn voor alle hoogovens, hoewel typische specificaties voor BF cokes kwaliteit beschikbaar zijn.

Onzuiverheden aanwezig in BF cokes beïnvloeden de prestaties ervan in de hoogoven door zijn rol als brandstof te verminderen in termen van hoeveelheden koolstof beschikbaar voor directe en indirecte reductierollen en ook zijn rol als doorlatende support. Dergelijke onzuiverheden zijn vocht, vluchtige stof, as, zwavel, fosfor, en alkaligehalten. Hun niveaus moeten zo laag mogelijk gehouden worden.

Vochtgehalte is een direct gevolg van het cokesafkoelingsproces met enige afhankelijkheid van grootte. Hoog en variabel vochtgehalte beïnvloeden zowel de cokessnelheid als de balansen binnen de hoogoven, terwijl hoge vluchtige stofgehalten operationele problemen veroorzaken in de reiniging van hoogovengas.

Wat betreft andere chemische eigenschappen, zijn zwavel en as (inhoud en chemie) van bijzonder belang omdat naarmate ze toenemen, de cokesproductiviteit in de hoogoven afneemt. De cokesas is een niet-productief deel van BF cokes dat slakvolume en samenstelling beïnvloedt.

Het belang van de fysieke eigenschappen van BF cokes is gekoppeld aan de behoefte om de ferreuze lading te ondersteunen en een doorlatende matrix te geven door waar reducerende gassen kunnen stromen en vloeibaar materiaal kan percoleren in het lagere hoogovengebied. Deze fysieke eigenschappen zijn gerelateerd aan de grootte (gemiddelde en verdeling) en de weerstand tegen breuk en abrasie. BF cokes grootte wordt meestal gecontroleerd door zeven. Een grote gemiddelde grootte met een smalle grootteverdeling behoudt adequate doorlatendheid.

Hoewel de mechanische sterkte-indices van BF cokes de BF operators een nuttige beoordeling van de BF cokes prestaties geven, vormen ze slechts een deel van het gehele plaatje. De tests die gebruikt worden om de mechanische sterkte van BF cokes te beoordelen, worden uitgevoerd bij kamertemperatuur en nemen dus geen rekening met de procescondities van de cokes in de hoogoven. Daarom leveren tests zoals CSR (cokes sterkte na reactie) en CRI (cokes reactiviteitsindex) voor BF cokes betere sterkte-indices.

BF cokes degradeert tijdens zijn daling door de BF. Degradatie wordt veroorzaakt door mechanische belasting, attritie, thermische stress, vergassingsreacties, anorganische verbindingen aanwezig in BF gassen, en grafitisatie. Minerale stof in BF cokes speelt een grote rol in het karakter en de omvang van deze degradatiepaden, zowel direct als indirect.

Het proces van ijzerproductie in een hoogoven bestaat uit een multivariaat systeem dat onderworpen is aan een groot aantal onderling beïnvloedende variabelen die het BF cokesverbruik in de hoogoven beïnvloeden. Het is nodig om de onderlinge invloed van de variabelen te isoleren om de rol te begrijpen die elke variabele speelt op de cokessnelheid tijdens ijzerproductie in de hoogoven.

Een efficiënte hoogoven opereert bij een lage cokessnelheid. Een efficiënte hoogovenoperatie vereist een toename in de gasdoorvoer, wat verbetering in de oven doorlatendheid impliceert en aan de andere kant een reductie in de specifieke gasbehoefte, wat een reductie in het specifieke verbruik van BF cokes betekent. Er zijn veel factoren die de BF cokessnelheid in een hoogoven beïnvloeden. De belangrijkste ervan worden hieronder beschreven.

Brandstof/reductiemiddel

Twee typen brandstoffen/reductiemiddelen worden in de hoogoven gebruikt. Deze zijn BF cokes die van boven wordt geladen en gepulveriseerde kolen/ aardgas/ cokesovengas/ olie/ kolenteer die geïnjecteerd worden op het tuyère niveau.

1. Tijdens de productie van gietijzer in een hoogoven wordt de BF cokessnelheid op veel manieren beïnvloed. Hoog asgehalte in BF cokes betekent de hoogoven laden met meer slakvormend materiaal wat gefluxt moet worden om slak te vormen. Dit resulteert in hogere slakvolumes. Als duimregel: 1% reductie in het asgehalte van de BF cokes resulteert in afname van cokessnelheid met 1% tot 1,5%. Andere eigenschappen van de BF cokes die de cokessnelheid beïnvloeden zijn CSR, CRI, en micum indices (M40 of I40 en M10 of I10). Deze parameters beïnvloeden de doorlatendheid in de schacht en de mechanische sterkte van de cokes op het tuyère niveau. M40 vertegenwoordigt verbruikbaarheid van de cokes en M10 slijtbaarheid. Hogere waarden van CSR en M40 en lagere waarden van CRI en M10 resulteren in verbetering van de lagere cokessnelheid. Zwavelgehalte van de BF cokes heeft ook zijn effect op de BF cokessnelheid. Een afname van zwavelgehalte van BF cokes met 0,1% verbetert de BF productiviteit met ongeveer 1,0%.
2. Brandstof (gepulveriseerde kolen/ aardgas/ cokesovengas/ olie/ kolenteer) geïnjecteerd op het tuyère niveau wordt normaal vergezeld door zuurstofverrijking van de hete blas. De injectie van zuurstof in de blas verlaagt de specifieke gasstroom wat een reductie in de toptemperatuur en een toename in de adiabatische temperatuur (RAFT) in de tuyères veroorzaakt. Deze effecten worden gecompenseerd door de injectie van vervangende brandstof. Dus een gecombineerde injectie van zuurstof en brandstof op het tuyère niveau verlaagt de cokessnelheid in een hoogoven. Een ton gepulveriseerde koleninjectie vervangt ongeveer 0,9 tot 1,0 ton BF cokes. Vergelijkbare reductie in de BF cokessnelheid treedt op met andere brandstofinjecties. Zuurstofinjectie alleen verlaagt de BF cokessnelheid niet maar verbetert de BF productiviteit.

Grondstoffen

Er zijn basisweg twee typen grote grondstoffen die in een hoogoven geladen worden.

1. De eerste is ijzerhoudende materialen wat sinter, pellets en gecalibreerd ijzererts (CLO) zijn. Hogere ijzer (Fe) inhoud in deze materialen betekent minder gangue materiaal gaat binnen in de oven wat gefluxt moet worden voor slakvorming. Dus hogere Fe inhoud helpt bij de reductie van slakvolume en cokessnelheid. Als duimregel: 1% toename in de Fe inhoud verlaagt cokessnelheid met 0,8% tot 1,2%.
2. De tweede grondstof is de verschillende typen fluxen (kalksteen, dolomiet en kwartsiet etc.). Kalksteen en dolomiet wanneer geladen in de hoogoven worden gekalcineerd binnen de hoogoven. De calcinatiereactie heeft warmte nodig wat resulteert in toename van het cokesverbruik. Als deze fluxen geladen worden via sinter of pellets dan vindt de calcinatiereactie plaats buiten de hoogoven en de werkvolume van de hoogoven wordt effectiever gebruikt door de ijzerhoudende materialen. Dit ziet op zijn beurt de hoogovencokessnelheid. Algemeen verbetert reductie van 100 kg flux in de lading de cokessnelheid met 20 tot 35 kg/tHM.
3. Voor het bereiken van lagere cokessnelheid in een hoogoven is het essentieel dat ladingmaterialen hoge doorlatendheid en homogeniteit bieden over alle oven temperatuur- en reactiezones. Verder moeten de ladingmaterialen hoge reduceerbaarheid hebben om korte verblijftijd te bevorderen. Ladingmaterialen moeten ook een laag gehalte aan onbehoorlijke elementen zoals zink, lood en alkaliën hebben om processtoringen te vermijden.
4. Cokessnelheid hangt ook af van de kwaliteit van sinter. Sinter moet optimale korrelverdeling, hoge sterkte, hoge reduceerbaarheid, hoge porositeit, zachtwordingstemperaturen groter dan 1250 °C, constante FeO inhoud in het bereik van 7% tot 8% en constante basiciteit hebben.

Beheersing van ladingverdeling

Beheersing van ladingverdeling speelt een belangrijke rol in de reductie van de cokessnelheid in een hoogoven. De ladingverdelingsbeheersing zorgt voor een stabiele ladingdaling, past de stroom van gassen in de wand aan (dit vermijdt hoge warmtebelasting zonder inactieve zone te genereren) en helpt bij het bereiken van een goed vastestof-gas contact.

Siliciumgehalte in gietijzer

Vermindering van het siliciumgehalte in het gietijzer heeft een positief effect op de cokessnelheid. Afname van de siliciuminhoud wordt bereikt door betere erts-cokes relatie en verplaatsing van cohesieve zone naar beneden. Dit genereert een lager volume voor de overdracht van silicium naar het gietijzer. Vermindering van siliciumgehalte in het gietijzer met 1% verbetert de cokessnelheid met 5% tot 15%.

Slakeigenschappen

Eigenschappen van slak hebben een aanzienlijk effect op de cokessnelheid. Lager specifiek volume van slak van lagere viscositeit verbetert de cokessnelheid van de hoogoven.

Tappingpraktijk

Tappingpraktijk heeft ook een belangrijke rol te spelen in de reductie van cokessnelheid in een hoogoven. Goede tappingpraktijk omvat goede taphattlengte, tijdige opening van de tapping, controle van tappensnelheid, goede hearth drainage, en sluiten van tapping nadat de oven droog is. Kwaliteit van taphattmassa is heel belangrijk voor goede tappingpraktijk.

Automatische procesbeheersing

Automatische procesbeheersing verbetert de ovenproductiviteit aangezien het het verbruik van reductiemiddel minimaliseert, ovenprocesstoringen zoals hangen, slippen, scaffolding, gaskanalisering etc. vermijdt door een onmiddellijke tegenactie door het systeem, gietijzer- en slakparameters stabiliseert etc. Het effect van automatische procesbeheersing op de hoogovencokessnelheid ligt in het bereik van 3% tot 5%.

Blasttemperatuur

Blasttemperatuur is een andere parameter die de cokessnelheid in een hoogoven beïnvloedt. Hoogovencokessnelheid vermindert met ongeveer 2% met de blasttemperatuur toenemend met 100 °C.

Hoge topdruk

Hoge topdruk verlaagt ook de cokessnelheid in de hoogoven. Met elke toename van de topdruk van de hoogoven met 0,1 kg/cm² is er een reductie van ongeveer 0,1% in de cokessnelheid.

Fijne stof in ladingmaterialen

Vermindering van fijne stofgehalte in de ladingmaterialen verbetert de cokessnelheid van de hoogoven in het bereik van 0,4% tot 0,7%.